植物化学绪论_NoRestriction

第一章第一章 绪论绪论 一、概述一、概述 二、生物合成二、生物合成 第一章 绪论第一章 绪论 植物化学是运用现代科学理论与技术研究植物中 生物活性物质的一门学科。具体内容包括主要类型的 植物化学成分的结构类型、提取分离方法、结构测定 等。 天然药物来源: 植物（为主）中的活性成分是其药 效的物资基础。 例如： 一、概 述一、概 述 l-ephedrine 左旋麻黄素 平喘、解痉 左旋麻黄素 平喘、解痉 CC H NHCH3H CH3HO Ephedra spp.（麻黄中（麻黄中 一、概 述一、概 述 O O HO OH rutinose OH OH Rutin 芦丁 降低血管脆性、防高血压和 动脉硬化的治疗辅助药 芦丁 降低血管脆性、防高血压和 动脉硬化的治疗辅助药 Sophora japonica （槐花米的花蕾中（槐花米的花蕾中 一、概 述一、概 述 由于现代科学技术进步，特别是将波谱解析方法由于现代科学技术进步，特别是将波谱解析方法 （NMR、MS、IR、UV）用于推导化合物的结构，甚 至用X晶体衍射来确定化合物结构的发展，以及分 离手段的进步，植物化学的发展速度大为加快，发现 的新化合物数目大为增加，微量成分、水溶性成分的 分离、提纯；稳定性差的活性物资的分离等也不再是 难题了。植物化学 用于推导化合物的结构，甚 至用X晶体衍射来确定化合物结构的发展，以及分 离手段的进步，植物化学的发展速度大为加快，发现 的新化合物数目大为增加，微量成分、水溶性成分的 分离、提纯；稳定性差的活性物资的分离等也不再是 难题了。植物化学本身也已不再是原先的分离提取、 结构鉴定，而是逐步发展成生测指导下的分离提取、 结构鉴定，及半合成修饰和全合成紧密结合的一门学 科 本身也已不再是原先的分离提取、 结构鉴定，而是逐步发展成生测指导下的分离提取、 结构鉴定，及半合成修饰和全合成紧密结合的一门学 科。 一、概 述一、概 述 一、概述一、概述 二、生物合成二、生物合成 第一章 绪论第一章 绪论 天然药物即使是作为一种中药来说，其所含成 分也是多种多样，五花八门的。那么，这些成分 究竟是怎样产生的，它们之间又有什么联系呢？ 下面仅以植物中的有机化合物为例予以说明。 一、一次代谢及二次代谢 首先，让我们来看一下植物体内存在的物质代谢 与生物合成过程（图1-1）。 二生物合成二生物合成 绿色植物及藻类含有叶绿素，可以通过光合作用将二氧化碳 及水合成为糖类，并放出氧气。生成的糖则进一步通过不同途 径（五碳糖磷酸途径及解糖途径）代谢，产生三磷酸腺苷 （ATP）及辅酶（NADPH）等维持植物机体生命活动不可 缺少的物质，以及丙酮酸（Pyruvic acid）、磷酸烯醇丙酮酸 （PEP)、赤藓糖-4-磷酸（Erytbrose -4- phosphate, E. 4. P）、核 糖等。上述过程因为对维持植物生命活动来说是不可缺少的过 程，且几乎存在于所有的绿色植物中，故习惯上称之为一次代 谢过程。糖、蛋白质、脂质、核酸等这些对植物机体生命活动 来说不可缺少的物质，则称之为一次代谢产物（Primary metabolites）。 二生物合成二生物合成 CO2H2O 磷酸烯醇式丙酮酸 葡萄糖 糖代谢 赤藓糖 4-磷酸 hv/叶绿素 生物碱类 肽 类 含氮化合物 醌类 木质素、木脂体 黄酮类 苯丙素类 鞣酸类 莽草酸 芳香族氨基酸 脂肪族及芳 香族聚酮类 嘌呤、嘧啶 脂肪族氨基酸 丙酮酸 乙酰辅酶A 甲羟戊酸 甾 类 萜 类 胡萝卜素类 脂肪酸类 前列腺素类 核 苷 核苷酸类 丙二酸单酰辅酶A 胆碱、啉类 -氨基乙酰丙酸 三羧酸循环 (TCA) 丁酮二酸 a -酮戊二酸 丁二酸 图 1-1 植物体内的物质代谢与生物合成过程 二生物合成二生物合成 在特定条件下，一些重要的一次代谢产物，如乙 酰辅酶A、丙二酸单酰辅酶A、莽草酸及一些氨基酸 等，作为原料或前体，又进一步经历不同的代谢过 程，生成如生物碱、萜类等化合物。因为这一过程 并非在所有的植物中都能发生，对维持植物生命活 动来说又不起重要作用，故称之为二次代谢过程。 生物碱、萜类等化合物则称之为二次代谢产物 （Secondary metabo1ites）。植物中的二次代谢产 物，因为结构富于变化，绚丽多彩，其中不少又多 具有明显的生理活性，自然成为天然药物化学的主 要研究对象。 二生物合成二生物合成 二、生物合成假说的提出 在多数情况下,结构相似意味着它们在生物合成上 可能为同一起源，这对开展植物化学分类学研究、寻 找新的天然药物资源很有好处。事实上人们早就注意 到天然化合物结构之间的联系以及它们与重要的一次 代谢产物之间的关系。 例如，在比较茴香脑（Anethol）、丁香酚（Eugenol） 等化合物结构时，人们发现它们都具有相同的C6-C3骨 架，并怀疑它们系由一次代谢产物酪氨酸（Tyrosine） 及多巴（Dopa）代谢而来（见下页图）。 二生物合成二生物合成 NH2 COOH HOCH3O CH3 HO CH3O 酪氨酸茴香脑丁香酚 NH2 COOH HO HO 多巴 NH2 HO HO N CH3O CH3O OCH3 OCH3 罂粟碱 N CH3O HO HO CH3O CH3 CH3 木兰碱 OH OH CHO NH HO HO OH OH N CH3O CH3O OCH3 OCH3 CH2O 全去甲劳丹诺苏林小檗碱 二生物合成二生物合成 图 1-2 异戊二烯法则 (-carotene) C58 -胡萝卜素 OH (-santonin) C53 -山道年 薄荷 (-)-menthol) C52 O O O H COOH (pimaric acid) C54 海松酸 COOH HO (oleanolic acid) C56 齐墩果酸 二生物合成二生物合成 三、主要的生物合成途径 常见的基本单位大概有以下几种类型： C2单位（醋酸单位）：如脂肪酸、酚类、苯醌等 聚酮类（Po1yketide）化合物。 C5单位（异戊烯单位）：如萜类、甾类等。 C6单位：如香豆素、木脂体等苯丙素类化合物。 氨基酸单位：如生物碱类化合物。 复合单位：由上述单位复合构成。 天然化合物的主要生物合成途径如下所示，且大多数 已用同位素示踪试验得到了证明。 二生物合成二生物合成 （一）醋酸-丙二酸途径（Acetate-malonate pathway，AA-MA途径） 脂肪酸类、酚类、蒽酮类等均由这一途径生成。 二生物合成二生物合成 1脂肪酸类 ATP ADP CH3COSCoA COOH CH2CO SCoA 乙酰辅酶A 丙二酸单酰辅酶A CH3COCH3COACP COOH CH2CO ACP 缩合 CH2COACPCH3CO 乙酰醋酸（acetoacetic acid) 还原 NADPH NADP CH2COACPCH3CH2 缩合 +CH2 COOH COACP CH2COACPCH3CH2CH2CO NADPH NADP CH2COACPCH3CH2CH2CH2 C n+2, n为偶数CH3CH2n COOH 图 1-3 饱和脂肪酸的生物合成途径 二生物合成二生物合成 自然界广泛分布的不饱和脂肪酸类，其生物合成可 能有几条途径，但以下列过程为主： CH2CH2CHCH O CH OH CH2CHCH 二生物合成二生物合成 2酚类 天然酚类 化合物的生物合成 与脂肪酸不同之处 是在由乙酰辅酶A 出发延伸碳链过程 中只有缩合过程， 生成的聚酮类中间 体经不同途径环合 而成。其特点是芳 环上的含氧取代基 （- OH、-OCH3） 多互为间位。 HO OH CH3 COOH OH HOOH CH3 O OO OH H3C O COOH CH2CO S CoA 3S CoACOCH3+ CH3COCH2CO CH2COCH2COEnz b a c a b c 苔色酸 （间苯二酚型） 乙酰间苯三酚 ()间苯三酚型 四乙酸内酯 ()内酯型 图 1-4 酚类的生物合成途径 二生物合成二生物合成 3蒽酮类以中药决明子为例，其所含成分有红镰 刀 菌 素 （ Rubrofusarin ） 、 决 明 内 酯 （ Toralactone ） 、 大 黄 素 甲 醚 （ Physcion ） 及 Torachrysone等。粗略看上去，似乎同一植物中出现 了几种结构类型不同的化合物。但就生物合成而 言，其实它们均由同一途径即AA-MA途径生成，都 可归入聚酮类化合物中（图 1-5）。 二生物合成二生物合成 O CH3O OHO OH 腐皮壳菌素 (diaporthin) 聚己酮类 O OCH3 CH3O Cl O O OCH3 灰黄霉素 (griseofulvin) 聚庚酮类 O O OH HOOC 桔霉素 (citrinin) 聚戊酮类 O O OH HO OH R O OH HO OO O O OH HO O O OH 聚辛酮类聚壬酮类聚癸酮类 R = H, (emodin)大黄素 R = COOH, 内向藏花素 (endocrocin) 玉米赤霉烯酮 (zearalenone) 奥佛尼红素 (averufin) 二生物合成二生物合成 （二）甲戊二羟酸途径（Meva1onic acid pathway， MVA途径） 甲戊二羟酸生成萜的途径，如图1-6所示。 二生物合成二生物合成 acetyl CoA OO SCoA HOOC SCoA HO O 乙酰辅酶乙酰辅酶A 乙酰乙酰辅酶乙酰乙酰辅酶A HOOC OH HO 2NADPH 2NADP HOOC O HO PP 2ATP 2ADP PPO PPO ADP ATP CO2 甲戊二羟酸甲戊二羟酸(MVA) 甲戊二羟酸甲戊二羟酸-5-焦磷酸焦磷酸 (mevaloyl-5-pyrophosphate) 焦磷酸烯丙酯焦磷酸烯丙酯 (IPP) 焦磷酸二甲烯丙酯焦磷酸二甲烯丙酯 (DAPP) 单萜单萜 (monoterpenoids) 焦磷酸香叶酯焦磷酸香叶酯 (GerPP) 倍半萜类倍半萜类 (sesquiterpenoids) 焦磷酸金合欢酯焦磷酸金合欢酯 (FarPP) 二萜类二萜类 (diterpenoids) 焦磷酸香叶基香叶酯焦磷酸香叶基香叶酯 (GergerPP) 反式角鲨烯反式角鲨烯 三萜类三萜类 (triterpenoids) 甾类甾类 (steroids) cartenoids P PP O OP O PP 六氢番茄碱六氢番茄碱 (phytofluene) PP= P2O5H2(pyrophosphate) PP1 NADPH acetyl CoA 甲戊二羟酸单酰辅酶甲戊二羟酸单酰辅酶A(HMG CoA) 图图 1-6 甲戊二羟酸途径甲戊二羟酸途径 二生物合成二生物合成 （三）桂皮酸途径（Cinnamic acid pathway）及莽草 酸途径（Shikimic acid pathway）天然化合物中具有 C6-C3骨架的苯丙素类（Phenylpropanoids）、香豆素 类（Coumarins）、木质素类（Lignins）、木脂体类 （Lignans）以及具有C6-C3-C6骨架的黄酮类化合物 （Flavonoids）极为多见。其中的C6-C3骨架均由苯 丙氨酸（Phenylalanine）经苯丙氨酸脱氨酶 （Pheny1alanine ammonia1yase，PAL）脱去氨后生 成的桂皮酸而来。具体如图 1-7所示： 二生物合成二生物合成 苯甲酸 HH H2NH CO2H RS 苯丙氨酸 CO2H HR 桂皮酸 CO2H PALNH3 HO H2N CO2H 酪氨酸 CO2H HO 对羟基桂皮酸 CO2HHO 对羟基苯甲酸 HO MeO CO2H 香草酸 HO MeO CO2H HO MeO CH2OH HO HO CO2H HO HO CO2H 阿魏酸 咖啡酸 原儿茶酸 阿魏醇 木质素 NH3 TAL 图 1-7 桂皮酸途径 二生物合成二生物合成 4-赤藓糖磷酸 O OH COOH O OH HO P O OH OH COOH HO 去氢奎宁酸 (dehydroquinic acid) O COOH OH OH 去氢莽草酸 (dehydroshikimic acid) COOH OH OH HO 莽草酸 3-莽草酸磷酸 (shikimic acid 3-phosphate) COOH OH OH OPO OH OCOOH COOH P 5-enoylpyruvyl-3-phosphate COOH OH OCOOH 分枝酸 (chorismic acid) OH HOOC O COOH 予苯酸 (prephenic acid) COOH O COOH H NH2 苯丙氨酸 COOH NH2 邻氨基苯甲酸 (anthranilic acid) N COOH H NH2 H 色氨酸 COOH O OH COOH H NH2 OH 酪氨酸 丝氨酸 OO H OH P O OHO OH H P P PEP COOH O PEP PP O OHOH O P CH2O 图 1-8 莽草酸途径 二生物合成二生物合成 （ 四 ） 氨 基 酸 途 径 （ Amino acid pathway ） 天然产物中的生物碱类成分均由此途径生成。 二生物合成二生物合成 HO HO COOH NH2 H 多巴 HO HO NH2 HO HO COOHO 多巴胺 3,4-dihydroxyphenyl pyruvic acid NH COOH OH OH HO HO CH3O HO OH CH3O NCH3 H N H3CO HO OH OCH3 CH3 H N HO HO OH OH H H N O O OCH3 OCH3 + N H3CO H3CO OCH3 OCH3 小檗碱罂粟碱 H3CO HO O H3CO N H CH3 N HHO H3CO HO H3CO H CH3 O CH3O CH3O N CH3 H 蒂巴因 salutaridinol (+)-salutaridine (-)网状番荔枝碱(-)网状番荔枝碱全去甲劳丹诺苏林 Mannich 反应 Mannich 反应 H NCH3 HO O H HO H NCH3 CH3O O H HO 吗啡可待因 图 1-9 氨基酸途径（amino acid pathway） 二生物合成二生物合成 （五）复合途径 由前述内容可看出，像新生霉素那样结构稍为复杂 的天然化合物，其分子中各个部位不可能来自同一 生物合成途径。又如大麻二酚酸（Cannabidiolic acid）、查尔酮（Chalcones）、二氢黄酮 （Dihydroflavones）等（见下图）。 二生物合成二生物合成 OH COOH CH3 O O OOO AA-MAMVA OH HO COOH CH3 大麻萜酚酸 (cannabigerolic acid) OH COOH CH3 HO 大麻二酚酸 (cannabidiolic acid) CH3 CO